توسعه و گسترش الکترولایزرها برای تولید هیدروژن سبز، نقشی مهم در آینده انرژی پاک و دستیابی به اهداف جهانی انتشار خالص صفر ایفا می‌کند. با توجه به اهمیت کاهش هزینه های الکترولیز آب و افزایش ظرفیت تولید، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر نظیر انرژی خورشیدی و نیروی بادی در برنامه‌های تولید هیدروژن سبز به سرعت در حال افزایش است. در این میان، چالش‌هایی مانند نیاز به مواد معدنی خاص، هزینه‌های برق، و پایداری عرضه هیدروژن، همچنان نیازمند توجه و بهینه‌سازی هستند. این مقاله به بررسی پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های الکترولیز، هزینه‌های تولید هیدروژن، و رویکردهای ترکیبی برای بهره‌گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر می‌پردازد.
فناوری الکترولیز و گسترش جهانی آن
الکترولیز آب، یک فرایند الکتروشیمیایی است که با استفاده از الکتریسیته، مولکول‌های آب (H₂O) را به هیدروژن (H₂) و اکسیژن (O₂) تجزیه می‌کند. این فناوری به سرعت در حال گسترش است و در سال 2020، تنها 0.03 درصد از تولید هیدروژن برای انرژی و مواد شیمیایی از طریق این فرایند تأمین شد. ظرفیت نصب‌شده جهانی الکترولایزرها 290 مگاوات بود، که بیش از 40 درصد آن در اروپا مستقر شده و کانادا و چین به ترتیب با 9 و 8 درصد در رده‌های بعدی قرار داشتند.
چهار فناوری اصلی الکترولیز شامل قلیایی، غشای تبادل پروتون (PEM)، الکترولیز اکسید جامد (SOEC) و غشاهای تبادل آنیونی هستند. در سال 2020، الکترولایزرهای قلیایی با سهم 61 درصدی در بازار تسلط داشتند، در حالی که الکترولایزرهای با غشای تبادل پروتون 31 درصد از ظرفیت را به خود اختصاص دادند. ظرفیت باقیمانده به فناوری‌های نامشخص و الکترولایزرهای اکسید جامد اختصاص داشت (شکل زیر).
الکترولیز قلیایی، که از دهه 1920 در صنایع کود و کلر مورد استفاده قرار می‌گیرد، یک فناوری تجاری بالغ است و محدوده عملیاتی گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. از آن‌جایی که این فناوری به مواد گرانبها نیاز ندارد، هزینه‌های سرمایه‌ای آن نسبت به سایر روش‌های الکترولیز پایین‌تر است. در مقابل، الکترولایزرهای با غشای تبادل پروتون به دلیل اندازه کوچک‌تر و جذابیت بیشتر برای مناطق متراکم شهری و صنعتی، جایگزینی مطلوب‌تر محسوب می‌شوند. با این حال، هزینه‌های بالای مواد مورد نیاز مانند پلاتین، ایریدیوم و تیتانیوم این فناوری را به یکی از پرهزینه‌ترین گزینه‌ها تبدیل کرده است (1750 دلار به‌ازای هر کیلووات در مقایسه با 1000-1400 دلار برای الکترولایزرهای قلیایی) و عمر مفید آن‌ها نیز کوتاه‌تر است.
چشم‌انداز افزایش ظرفیت الکترولایزرها
ظرفیت نصب‌شده الکترولایزرها در حال افزایش است و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 به 54 گیگاوات برسد. در صورتی که تمام پروژه‌های برنامه‌ریزی‌شده عملی شوند، این ظرفیت می‌تواند به 91 گیگاوات برسد. اروپا و استرالیا با پروژه‌های بزرگی به ترتیب به ظرفیت‌های 22 و 21 گیگاوات، در صدر این توسعه قرار دارند، در حالی که آمریکای لاتین و خاورمیانه نیز با ظرفیت‌های 5 و 3 گیگاوات در حال پیشرفت هستند (شکل زیر).
با گسترش ظرفیت جهانی الکترولیز، اندازه متوسط پروژه‌ها نیز به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. به عنوان مثال، در سال 2020، میانگین اندازه پروژه‌ها 0.6 مگاوات بود و شامل بزرگ‌ترین نیروگاه الکترولیز قلیایی (25 مگاواتی Cachimayo در پرو) و بزرگ‌ترین نیروگاه با غشای تبادل پروتون (20 مگاواتی Air Liquide در Bécancour، کانادا) می‌شد که با استفاده از برق آبی فعالیت می‌کرد. در حال حاضر، حدود 80 پروژه در حال ساخت یا برنامه‌ریزی شده‌اند که ظرفیت آن‌ها بیش از 100 مگاوات است و ظرفیت 11 پروژه حتی به بیش از یک گیگاوات می‌رسد (شکل زیر).
برخی پروژه‌ها در مقیاس گیگاوات، مانند مرکز انرژی سبز غربی در استرالیا، با ظرفیت‌های عظیم فتوولتائیک خورشیدی و بادی، می‌توانند تا 3.5 میلیون تن هیدروژن در سال تولید کرده و آن را به 20 میلیون تن آمونیاک برای صادرات تبدیل کنند. میانگین اندازه پروژه‌ها پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030 به 230 مگاوات افزایش یابد، که می‌تواند به صرفه‌جویی در مقیاس و کاهش هزینه های الکترولیز آب منجر شود. برای دستیابی به اهداف آب و هوایی، استقرار الکترولایزرها باید سرعت بیشتری بگیرد.
چندین کشور و همچنین اتحادیه اروپا، ظرفیت‌های هدف‌گذاری‌شده‌ای را در استراتژی‌های هیدروژن خود گنجانده‌اند. مجموع این تعهدات می‌تواند تا سال 2030 به ظرفیت نصب شده 75 گیگاوات منجر شود، که بیشترین سهم مربوط به اتحادیه اروپا (40 گیگاوات) و شیلی (25 گیگاوات) است. با این وجود، پیشرفت پروژه‌ها الزاماً با اهداف ملی یا منطقه‌ای هماهنگ نیست. برای نمونه، در اتحادیه اروپا، تنها 22 گیگاوات از ظرفیت مورد نظر تا سال 2030 در حال حاضر در دست ساخت یا برنامه‌ریزی است، که تقریباً نیمی از هدف تعیین شده است.
ظرفیت الکترولیز و چشم‌انداز سناریوهای آینده
در سناریوی تعهدات اعلام شده، ظرفیت الکترولیز نصب‌شده جهانی تا سال 2030 به 180 گیگاوات خواهد رسید. این مقدار، دو برابر اهداف ملی تعیین‌شده و سه برابر پروژه‌های در دست ساخت و برنامه‌ریزی شده است و همچنان 70 درصد بیشتر از پروژه‌هایی است که در مراحل اولیه توسعه قرار دارند. در مقابل، در سناریوی انتشار خالص صفر، ظرفیت مورد نیاز تا سال 2030 به 850 گیگاوات می‌رسد، که حدود 9 برابر ظرفیت پروژه‌های موجود است (شکل زیر). با وجود چنین شکاف‌های بزرگی، تلاش‌های فعلی پایه‌ای قوی برای گسترش و تسریع استقرار ظرفیت‌های الکترولایزر فراهم کرده و فرصتی برای افزایش جاه‌طلبی‌ها از طریق توسعه پروژه‌های جدید و ادغام هیدروژن در استراتژی‌های ملی کشورهای بیشتری به وجود آورده است.
کاهش هزینه‌ها و اثر منحنی یادگیری
استقرار بیشتر الکترولایزرها منجر به کاهش هزینه‌های تولید می‌شود. بر اساس داده‌های آژانس بین‌المللی انرژی، هزینه‌های تولید هیدروژن در سال 2020 بین 1000 تا 1750 دلار بر کیلووات بود. الکترولایزرهای قلیایی تولیدشده در چین، با هزینه 750 تا 1300 دلار بر کیلووات، از نمونه‌های اقتصادی‌تر هستند و حتی برخی منابع گزارش داده‌اند که این هزینه به کمتر از 500 دلار بر کیلووات رسیده است. در گذشته، نگرانی‌هایی در مورد دوام و قابلیت اطمینان الکترولایزرهای چینی وجود داشت، اما این فناوری به‌سرعت در حال بهبود است. تولیدکنندگان چینی، که زمانی مجبور به واردات قطعات بودند، اکنون در حال گسترش تولید محلی هستند که منجر به کاهش هزینه‌ها از طریق خوشه‌بندی صنعتی و صرفه‌جویی در مقیاس می‌شود.
اثر یادگیری در تولید و اقتصاد مقیاس نیز به کاهش هزینه های الکترولیز آب کمک می‌کند. یک مدل مبتنی بر منحنی یادگیری برای تحلیل هزینه‌های آتی الکترولیز به‌عنوان تابعی از استقرار ظرفیت تجمعی استفاده شده است (شکل زیر). بر اساس مطالعات، نرخ یادگیری 15 درصد برای پشته‌های الکترولیز در نظر گرفته شده است، که این نرخ مشابه با آنچه برای پیل‌های سوختی در نظر گرفته می‌شود، است؛ زیرا هر دو به فرآیندهای الکتروشیمیایی مشابهی متکی هستند.
ظرفیت تجمعی پروژه‌های در دست ساخت و برنامه‌ریزی شده، می‌تواند هزینه‌های سرمایه‌ای را تا سال 2030 به‌طور قابل توجهی کاهش دهد. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که این هزینه‌ها می‌توانند تا 60 درصد کمتر شوند. در سناریوی تعهدات اعلام شده، با سه برابر شدن ظرفیت نسبت به پروژه‌های فعلی، هزینه‌ها ممکن است تا 65 درصد کاهش یابند. حتی در سناریوی انتشار خالص صفر، کاهش هزینه‌ها چندان تفاوتی ندارد و استقرار بیشتر ظرفیت می‌تواند هزینه‌های سرمایه‌ای را تا حدود 70 درصد کاهش دهد و به 400-440 دلار بر کیلووات برساند.
چالش‌های ظرفیت تولید الکترولایزر
یکی از موانع اصلی در مسیر استقرار پروژه‌های الکترولیز، کمبود ظرفیت تولید الکترولایزر است. ظرفیت تولید الکترولایزر جهانی در سال 2020 حدود 3 گیگاوات در سال بود، که 85 درصد آن به فناوری قلیایی و کمتر از 15 درصد به غشای تبادل پروتون اختصاص داشت. باقیمانده سهم مربوط به الکترولایزرهای غشای تبادل آنیون و اکسید جامد بود. اروپا با سهم 60 درصدی و چین با 35 درصد، بیشترین ظرفیت تولید را به خود اختصاص داده‌اند.
علاقه به توسعه این فناوری میان شرکت‌های بزرگ نظیر Thyssenkrupp، Nel Hydrogen، ITM، McPhy، Cummins و John Cockerill در حال افزایش است و همگی برنامه‌هایی برای گسترش ظرفیت تولید خود اعلام کرده‌اند. اگر این برنامه‌ها به‌طور کامل محقق شوند، ظرفیت تولید الکترولایزر می‌تواند به 20 گیگاوات در سال برسد. با بهبود اتوماسیون فرایندها و تدارکات، هزینه‌های تولید نیز کاهش خواهد یافت.
ضرورت توسعه زنجیره تامین در مقیاس صنعتی
برای برآورده کردن تقاضاهای ظرفیت تا سال 2030 و پس از آن، ایجاد یک زنجیره تامین صنعتی اختصاصی و یک چشم‌انداز تامین‌کننده صنعتی حیاتی است. اگر این زنجیره به‌سرعت ایجاد شود، ظرفیت تولید می‌تواند نیازهای استقرار پروژه‌های فعلی و تعهدات دولتی (به‌طور متوسط 6-8 گیگاوات در سال از سال 2022 تا 2030) را برآورده کند و به نیازهای سناریوی تعهدات اعلام شده (20 گیگاوات در سال) نزدیک شود. با این حال، پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که همچنان کمبودهایی برای برآورده کردن الزامات انتشار خالص صفر (بیش از 90 گیگاوات در سال) وجود دارد.
تاثیر افزایش تولید الکترولایزر بر تقاضای مواد معدنی
افزایش تولید الکترولایزرها به‌ویژه بر تقاضا برای مواد معدنی، از جمله فلزات گروه نیکل و پلاتین، تاثیر قابل توجهی دارد. در حالی که الکترولایزرهای قلیایی نیازی به فلزات گرانبها ندارند، طراحی‌های فعلی این فناوری از 800 تا 1000 تن نیکل در هر مگاوات استفاده می‌کنند. حتی اگر الکترولایزرهای قلیایی تا سال 2030 بر بازار مسلط شوند، در سناریوی انتشار خالص صفر، تقاضای نیکل به 72 میلیون تن خواهد رسید، که همچنان بسیار کمتر از مقدار مورد نیاز برای باتری‌ها است.
از سوی دیگر، الکترولایزرهای با غشای تبادل پروتون به کاتالیزورهای خاصی نظیر 300 کیلوگرم پلاتین و 700 کیلوگرم ایریدیوم در هر گیگاوات نیاز دارند. اگر این فناوری تا سال 2030 به‌طور کامل برای تولید الکترولیز استفاده شود، تقاضا برای ایریدیوم به 63 کیلوتن می‌رسد، که 9 برابر تولید فعلی جهانی است. با این حال، پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای این فلزات در دهه آینده به لطف پیشرفت‌های فناوری و بازیافت الکترولایزرها، تا ده برابر کاهش یابد.
نیازهای مواد معدنی برای الکترولایزرهای اکسید جامد
تولید الکترولایزرهای اکسید جامد به مواد معدنی متفاوتی نیاز دارد، از جمله نیکل (150-200 تن در گیگاوات)، زیرکونیوم (40 تن در گیگاوات)، لانتانیم (20 تن در گیگاوات) و ایتریوم (کمتر از 5 تن در گیگاوات). انتظار می‌رود طراحی‌های بهینه‌تر در دهه آینده این مقادیر را به نصف کاهش دهد. حتی پتانسیل فنی برای کاهش نیاز نیکل به کمتر از 10 تن در گیگاوات نیز وجود دارد. به دلیل راندمان الکتریکی بالای این الکترولایزرها، نیازهای معدنی آن‌ها به‌طور مستقیم با الکترولایزرهای قلیایی و نوع غشای تبادل پروتون قابل مقایسه نیستند.
اهمیت هزینه برق در تولید هیدروژن
هزینه تولید هیدروژن از الکترولیز به عوامل فنی و اقتصادی متعددی بستگی دارد، از جمله هزینه برق، هزینه‌های سرمایه، راندمان تبدیل، و ساعات کار سالانه. از این میان، هزینه برق مهم‌ترین عامل است، چرا که 50 تا 90 درصد از کل هزینه تولید هیدروژن را تشکیل می‌دهد. برق شبکه، به‌دلیل هزینه بالای آن، گزینه مقرون‌به‌صرفه‌ای نیست. به عنوان مثال، با قیمت برق 50-100 دلار در مگاوات ساعت، هزینه تولید هیدروژن بین 3 تا 5 دلار در هر کیلوگرم خواهد بود (با ضریب ظرفیت الکترولایزر 90 درصد و هزینه سرمایه‌ای 500 دلار بر کیلووات).
تأثیر توسعه انرژی‌های تجدیدپذیر بر تولید هیدروژن
با افزایش سهم انرژی‌های تجدیدپذیر متغیر در سیستم‌های برق، احتمال دسترسی به برق مازاد با هزینه کم برای تولید هیدروژن و ذخیره آن برای استفاده‌های بعدی افزایش می‌یابد. اما حتی اگر برق مازاد با هزینه صفر برای 750 ساعت در سال در دسترس باشد، هزینه تولید هیدروژن همچنان در حدود 3 دلار بر کیلوگرم باقی می‌ماند (با فرض هزینه سرمایه‌ای 500 دلار بر کیلووات). بنابراین، تکیه صرف بر برق مازاد شبکه ممکن است برای راه‌اندازی الکترولایزرها مقرون به‌صرفه نباشد و ممکن است نتواند نیازهای تقاضای بالا را برآورده کند.
برق اختصاصی از انرژی‌های تجدیدپذیر و هسته‌ای
استفاده از تولید برق اختصاصی، مانند انرژی‌های تجدیدپذیر یا هسته‌ای، می‌تواند هزینه‌های انتقال برق را به حداقل برساند و مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد (شکل بالا). در حال حاضر، برق تجدیدپذیر منبع اصلی پروژه‌های هیدروژنی است که در حال ساخت یا برنامه‌ریزی هستند. فتوولتائیک خورشیدی به یکی از ارزان‌ترین منابع تولید برق تبدیل شده است. در مناطق با شرایط خورشیدی عالی، مانند خاورمیانه، هزینه‌های تولید برق فتوولتائیک می‌تواند به 20 دلار در مگاوات ساعت یا کمتر برسد، که هزینه تولید هیدروژن را به 3 دلار در هر کیلوگرم کاهش می‌دهد (با ضریب ظرفیت 32 درصد و هزینه سرمایه‌ای 1000 دلار بر کیلووات).
با کاهش مداوم هزینه‌های فتوولتائیک خورشیدی و الکترولیز، در سناریوی انتشار خالص صفر، هزینه هیدروژن تولید شده از فتوولتائیک خورشیدی در خاورمیانه می‌تواند تا سال 2030 به 1.50 دلار بر کیلوگرم برسد (با هزینه برق 17 دلار در مگاوات ساعت و CAPEX 320 دلار بر کیلووات). این هزینه با تولید هیدروژن از گاز طبیعی با جذب و ذخیره کربن قابل رقابت خواهد بود. حتی تا سال 2050، با هزینه برق فتوولتائیک 12 دلار در مگاوات ساعت، هزینه هیدروژن می‌تواند به 1.00 دلار بر کیلوگرم کاهش یابد (با CAPEX 250 دلار بر کیلووات)، و در نتیجه هیدروژن تولیدشده کاملاً رقابتی با گاز طبیعی حتی بدون جذب و ذخیره کربن خواهد شد (شکل زیر).
استفاده از انرژی بادی در دریا
چندین پروژه در اروپا به استفاده از انرژی بادی در دریا به‌عنوان منبع برق برای تولید هیدروژن اختصاص یافته‌اند. انتقال هیدروژن به ساحل با خطوط لوله می‌تواند جایگزین کم‌هزینه‌تری نسبت به استفاده از کابل‌های برق باشد. پروژه‌های آزمایشی و نمایشی مانند پروژه Oyster در دانمارک و پروژه NorthH2 در هلند (که قصد دارد تا سال 2030 به ظرفیت 4 گیگاوات برسد) نمونه‌هایی از این رویکرد هستند. همچنین، پروژه AquaVentus در آلمان هدف‌گذاری کرده تا سال 2035 به 10 گیگاوات ظرفیت الکترولیز دریایی دست یابد.
در سال 2020، تولید برق از نیروگاه‌های بادی در دریا با هزینه 60 دلار در مگاوات ساعت نسبتاً گران بود، که منجر به هزینه تولید هیدروژن 4.50 دلار بر کیلوگرم (با ضریب ظرفیت 50 درصد) شد. با کاهش هزینه‌های تولید برق نیروگاه‌های بادی در دریا به 30 دلار در مگاوات ساعت و استفاده از توربین‌های بزرگ‌تر که ظرفیت آن‌ها را به 57 درصد می‌رساند، هزینه تولید هیدروژن در دریای شمال در سناریوی انتشار خالص صفر تا سال 2030 به 2.00 دلار بر کیلوگرم و تا سال 2050 به کمتر از 1.50 دلار بر کیلوگرم (با فرض هزینه برق 25 دلار در مگاوات ساعت و ضریب ظرفیت 60 درصد) خواهد رسید.
با وجود این کاهش‌ها، هزینه‌های تولید هیدروژن از انرژی بادی در دریا در اروپا همچنان بالاتر از تولید با فتوولتائیک خورشیدی در خاورمیانه یا شمال آفریقا است. با این حال، هزینه‌های حمل و نقل هیدروژن می‌تواند تأمین منابع داخلی از نیروگاه‌های بادی در دریا را به گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه‌تر برای بخش‌های خاصی از اروپا تبدیل کند.
در نظر گرفتن هزینه یکسان‌شده هیدروژن به عنوان تنها معیار تصمیم‌گیری، سه عامل کلیدی را نادیده می‌گیرد: تعداد ساعات کار الکترولایزر، حجم هیدروژن تولید شده در طول سال، و هزینه‌های مربوط به هموارسازی نوسانات عرضه هیدروژن تجدیدپذیر. در حالی که الکترولایزرها می‌توانند با انعطاف‌پذیری عمل کنند تا به تغییرات منابع برق تجدیدپذیر پاسخ دهند، مصرف‌کنندگان پایین‌دستی هیدروژن اغلب به پایداری و ثبات عرضه نیاز دارند. برای رفع این نیاز، احتمالاً ذخیره هیدروژن ضروری خواهد بود.
انتخاب منابع و ترکیب نیروگاه‌های هیبریدی
برای تولید سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن، حتی با وجود هزینه‌های بالاتر و ساعات بار کامل کمتر، استفاده از منابع برق تجدیدپذیر با الگوهای کمتر متغیر و نیاز به ذخیره‌سازی محدود می‌تواند مقرون‌به‌صرفه باشد. به‌عنوان مثال، فتوولتائیک خورشیدی که نیاز به ذخیره‌سازی روزانه دارد، ممکن است گزینه بهتری نسبت به نیروی باد باشد که اغلب به ظرفیت ذخیره‌سازی چند روزه یا حتی چند هفته‌ای نیاز دارد. ترکیب منابع تجدیدپذیر در یک نیروگاه هیبریدی، مانند تلفیق فتوولتائیک خورشیدی و نیروگاه بادی در خشکی، می‌تواند راهی موثر برای تثبیت عرضه هیدروژن و کاهش حجم ذخیره‌سازی مورد نیاز باشد (شکل بالا). هیدروژن تولید شده از الکترولیز در بلندمدت می‌تواند در بسیاری از مناطق با هیدروژن تولید شده از گاز رقابت کند. این تحول به کاهش هزینه‌ها، بهینه‌سازی منابع انرژی و پیشرفت‌های فناوری در تولید و ذخیره هیدروژن بستگی دارد.
جمع‌بندی
هیدروژن سبز، با تکیه بر الکترولیز و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، به یکی از راهبردهای اصلی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و حرکت به سوی آینده‌ای پایدار تبدیل شده است. کاهش هزینه‌های تولید و افزایش ظرفیت الکترولایزرها، همراه با بهبود زیرساخت‌ها و بهره‌وری منابع، می‌تواند نقش این فناوری را در تأمین انرژی جهانی و تسهیل گذار انرژی تقویت کند. با این حال، برای غلبه بر چالش‌های موجود، از جمله نیاز به ذخیره‌سازی پایدار و استفاده بهینه از مواد معدنی، نیازمند برنامه‌ریزی دقیق و نوآوری‌های مستمر هستیم. در بلندمدت، ترکیب منابع انرژی تجدیدپذیر و استفاده از نیروگاه‌های هیبریدی می‌تواند به پایداری و مقرون‌به‌صرفه بودن تولید هیدروژن کمک کند و آن را به یک رقیب واقعی برای هیدروژن تولید شده از سوخت‌های فسیلی تبدیل کند.
